JP2010273408A - 電力装置、電力発生方法、電力装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子を用いた自己発電型の新しい電力装置を提供する
【解決手段】少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、を含む電力装置。
【選択図】図２
【解決手段】少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、を含む電力装置。
【選択図】図２
Description
本開示は、電力装置、電力発生方法、電力装置の製造方法に関する。
従来より、たとえば、心臓ペースメーカ、インシュリン注入器など体内埋め込み型の医療機器の電力源（電力装置）として、一次電池が使用されている。一次電池は、一旦放電してしまうと使用できなくなるため、体内埋め込み型の医療機器の電力源として用いると、電池交換のたびに、患者の体を切開する必要が生じてしまう。これは、患者の体力的および経済的な側面を考慮すると、必ずしも望ましいものではない。
したがって、体内埋め込み型の医療機器などの電力源として、電池交換が不要な自己発電型の電力源を用いることが望ましい。
ここで、従来の電池交換が不要な電力源としては、たとえば、太陽電池または圧電素子を用いた電力装置（たとえば、非特許文献１参照）がある。
John Kymissis, MIT, "Parasitic Power Harvesting in Shoes", Second IEEE International Conference on Wearable Computing, August 1998
しかしながら、従来の電池交換が不要な電力源は、体内埋め込み型の医療機器などの電力源に用いることは困難である。すなわち、太陽電池は、光が照射されることによって発電するものであるが、体内に埋め込まれると、人間の皮膚や衣服等によって光の照射が妨げられてしまい、十分な発電量を確保することが難しいという問題点が生じる。一方、圧電素子を用いた電力装置は、通常、圧電素子に直接力を加えることによって圧電素子を変形させ発電するものであるため、一旦体内に埋め込まれると、直接力を加えることはできず、体内埋め込み型の医療機器に適用することは難しいといった問題点がある。
そこで、上記問題点を解決し、体内埋め込み型の医療機器の電力源として適用することができる新しい電力装置、電力発生方法、および電力装置の製造方法を提供することが望まれる。
本開示の電力装置は、少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、を含む。
また、本開示の電力装置は、前記共振部は、複数の共振体からなることもできる。さらに、その複数の共振体は、共振周波数の異なる少なくとも２つの共振体を含むこともできる。
さらに、本開示の電力装置は、複数の共振体が、それぞれ並列して配置され、または、同心円状に配置されることもできる。
さらに、本開示の電力装置は、共振部が、一端が固定され、他端を自由端とするカンチレバーとすることもできる。
本開示のシステムは、上記の本開示の電力装置と、前記電力装置の発生する電力が供給される負荷装置と、を含む。また、本開示のシステムは、上記の本開示の電力装置と、その電力装置に含まれる共振部に向けて、特定の周波数成分を有する波動を発信する周波数発生装置とを含む。
本開示の電力発生方法は、少なくとも一端が固定された共振部が、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振し、前記共振部に結合して形成された圧電素子が、前記共振部の共振に応じて電圧を発生し、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成された第１電極および第２電極が、前記発生した電圧を出力する。
本開示の電力装置の製造方法は、少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、を含む電力装置の製造方法であって、少なくとも一端が固定された共振部の形状に合わせて半導体基板層を形成する工程と、前記半導体基板層上であって、少なくとも前記共振部をなす領域に第１電極層を形成する工程と、前記第１電極層上であって、前記共振部をなす領域に圧電素子層を形成する工程と、前記圧電素子層上であって、前記共振部をなす領域に第２電極層を形成する工程と、前記共振部の一端を固定する支持部の形状に合わせて前記半導体基板層を形成する工程と、を含む。
以下、本開示を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。本実施形態においては、本開示の電力装置を適用する機器として、体内埋め込み型の医療機器であるインシュリン注入器を例にとって説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
＜第１実施形態＞
図１は、本開示の第１実施形態に係るインシュリン注入器１の概略構成を示すブロック図である。
図１は、本開示の第１実施形態に係るインシュリン注入器１の概略構成を示すブロック図である。
インシュリン注入器１は、体内埋め込み型のインシュリン注入器であって、インシュリンを適時に供給する装置である。インシュリン注入器１は、たとえば、図１に示すとおり、インシュリンを貯蔵するリザーバ１０、リザーバ１０からインシュリンを取得し、該インシュリンをカテーテル１１を介して門脈に投与するポンプ１２、ポンプ１２を通過したインシュリンの流量を検出するなど各種制御を行う制御部１３、およびポンプ１２や制御部１３などの負荷装置を動作させる電力装置２０、などを含んで構成される。電力装置２０で発生した電力は、たとえば、充電装置（図示せず）に一旦充電させる構成とし、負荷装置を動作させる時など必要に応じて充電装置から電力を取り出すことができる。ただし、本開示の電力装置２０は、充電装置に一旦充電させる場合に限られず、発生した電力をそのまま負荷装置に供給し、ポンプ１２などを動作させる構成とすることもできる。なお、本開示のインシュリン注入器１は、その電力装置２０を除いて従来のインシュリン注入器とその構成および機能を共通とすることができるので、その詳細な説明は省略する。
本実施形態の電力装置２０は、空間または媒質を伝搬する波動を受信することで電力を発生する装置である。なお、本実施形態における波動とは、周期的な交流成分をもつ信号を示し、たとえば、音波、超音波などの波を含む概念である。
電力装置２０は、図２に示すとおり、電力生成部（共振部）２１、および支持台（支持部）２２を含んで構成され、ポンプ１２の動作に必要な電力、たとえば、ｍＷオーダーの電力を発生することができる。
支持台２２は、電力生成部２１の一端を片持ち梁状に固定させるためのものである。なお、図２では、支持台２２をＬ字状の形状としているが、インシュリン注入器１内に設置可能な構造であれば他の形状としてもよい。
電力生成部２１は、複数の電力ユニット２１Ａ−２１Ｅからなり、空間または媒質（たとえば、皮膚など）を伝播する波動を受信して共振し、電力を発生させる電力発生部である。複数の電力ユニット２１Ａ−２１Ｅは、それぞれ一端が支持台２２に固定され、指向性を持って波動を受信できるように並列して配置される。
ここで、電力ユニットを詳細に説明するために、図３に電力ユニット２１Ａの概略構成の一例を示す。
電力ユニット２１Ａは、図３に示すように、カンチレバー（共振体）２３と、圧電素子２４と、第１電極２５および第２電極２６と、を含んで構成される。
カンチレバー２３は、少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する部位であって、特定の共振周波数を有している。この共振周波数は、カンチレバー２３の幅、厚み、長さなどの物体の形状、および物体の材質に依存するヤング率、質量などによって設定することができ、一般的に、下記の数式（１）を用いて表すことができる。数式（１）において、記号ｆは共振周波数、ｋはばね定数（Ｎ／ｍｍ）、Ｅはヤング率（Ｎ／ｍｍ２）、ｂは材料の幅（ｍｍ）、ｔは材料の厚み（ｍｍ）、Ｌは材料の長さ（ｍｍ）を表す。たとえば、カンチレバー２３のヤング率、質量、材料の幅、厚み、長さをそれぞれ、１．９×１０5Ｎ／ｍｍ２、２．７６×１０-8ｋｇ、１ｍｍ、０．０３ｍｍ、０．４ｍｍとすると、カンチレバー２３の共振周波数は約１３５ｋＨｚとなる。なお、電力ユニット２１Ａ自体の共振周波数は、カンチレバー２３と結合するように形成される圧電素子２４などの影響を受けて決まる。したがって、電力ユニット２１Ａの共振周波数を、所望の共振周波数とするためには、たとえば、カンチレバー２３の幅、長さ、厚さなどの形状を適宜調整しながら電力ユニット２１Ａの共振周波数を測定するなどの実験を繰り返すことによって調節すればよい。
第１電極２５および第２電極２６は、図３に示すとおり、圧電素子２４の対向する面にそれぞれ形成され、圧電素子２４で発生した電圧を出力するものである。第１電極２５および第２電極２６は、従来の電極を用いることができ、たとえば、第１電極２５をＰｔ／Ｔｉ電極とし、第２電極２６をＣｒ／Ａｕ電極とすることができる。
上記電力ユニット２１Ａと同様に、電力ユニット２１Ｂ−２１Ｅも構成される。ただし、本実施形態の電力装置２０では、電力ユニット２１Ａ−２１Ｅそれぞれの共振周波数を異ならせるために、たとえば、各電力ユニット２１Ａ−２１Ｅにおけるカンチレバー２３の長さをそれぞれ変えている。なお、各電力ユニット２１Ａ−２１Ｅにおけるカンチレバー２３の長さを変える場合に限られず、たとえば、カンチレバー２３の厚さおよび幅などの形状、材質、またはこれらを組み合わせて各電力ユニット２１Ａ−２１Ｅの共振周波数を異ならせることができる。また、電力装置２０において、電力ユニットの数は、上記の５つの場合に限られず、必要とする電力量によって増減することができ、たとえば、１本、１００本、１０００本とすることもできる。
さらに、電力ユニットの共振周波数は、電力装置２０を使用する外部の環境などに応じて適宜最適なものにすることができ、たとえば、自然界において可聴な音波の周波数１−４ｋＨｚの範囲で決定することができる。また、複数の電力ユニットの共振周波数は、全て異ならせる場合に限られず、一部のみ異ならせたり、全て同一とすることもできる。たとえば、電力装置２０を使用する環境において受信できる波動の周波数成分が広範囲にわたっている場合、複数の電力ユニットそれぞれが異なる共振周波数を有するようにし、受信できる波動が特定の周波数成分を多く含んでいる場合、複数の電力ユニットそれぞれがその特定の周波数成分を共振周波数として有するようにすることで、環境に応じて電圧を効率よく出力することができる。
ここで、第１電極２５は、支持台２２上に配置されるので、複数の電力ユニット２１Ａ−２1Ｅの第１電極２５が共通電極となるように、支持台２２の形状に合わせた形状とすることができる。一方、第２電極２６は、圧電素子２４上に配置されるので、圧電素子２４の形状に合わせた形状とすることができる。なお、第１電極２５および第２電極２６の形状は、上述したものに限られず、各圧電素子２４が発生する電圧を出力することができればよく、様々な形状とすることができる。
以上、上記電力装置２０は、少なくとも一端が固定されたカンチレバー２３が、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振し、カンチレバー２３に結合するように形成された圧電素子２４が、カンチレバー２３の共振に応じて電圧を発生し、圧電素子２４の対向する面にそれぞれ形成された第１電極２５および第２電極２６が、その発生した電圧を出力する。
本実施形態の電力装置２０によれば、空間または媒質を伝播する波動を受信することにより自己発電することができるので、光の照射が妨げられる場所でも電力源として活用することができる。また、電力ユニットの数、電力ユニットにおけるカンチレバー２３の形状等を変えることによって、環境に応じて所望の電力を発生させることができる。さらに、複数の電力ユニットをそれぞれ並列に配置させることで、受信する波動の指向性を考慮して共振でき、そのため、電力を効率よく発生させることができる。
以上、このような電力装置２０を備える本実施形態のインシュリン注入器１によれば、体外にある音響などの周波数信号に応じて電力を発生させることができるので、一次電池のように電池交換のたびに、患者の体を切開する必要性を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
本開示の第２実施形態に係るインシュリン注入器システム１００は、上記カンチレバー２３を共振させる専用の波動発信装置２を備える点で上記第１実施形態と異なる。
本開示の第２実施形態に係るインシュリン注入器システム１００は、上記カンチレバー２３を共振させる専用の波動発信装置２を備える点で上記第１実施形態と異なる。
図４は、本実施形態に係るインシュリン注入器システム１００の概略構成を示すブロック図である。
インシュリン注入器システム１００は、図４に示すとおり、インシュリン注入器１と、波動発信装置２とを含む。なお、第２実施形態に係るインシュリン注入器１は、上記第１実施形態のインシュリン注入器１と共通のものとすることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
波動発信装置２は、インシュリン注入器１内の電力装置２０に含まれる電力生成部２１に向けて、特定の周波数成分を有する波動を発信する装置である。波動発信装置２は、電力生成部２１の共振周波数に応じて、発信する波動の周波数成分を設定することができる。波動発信装置２は、従来の波動を発信する装置、たとえば、音波発信装置、超音波発信装置などの装置とその構成および機能を共通とすることができるので、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のインシュリン注入器システム１００によれば、外部の波動発信装置２から特定の周波数成分をもつ波動を発信させることで、電力装置２０がその波動を確実かつ安定して受信できるようになるため、ユーザが所望するとき、電力装置２０に電圧を出力させることができる。
＜電力装置の製造方法＞
ここで、本開示の電力装置２０の製造方法について、図５および図６を参照しながら、詳細に説明する。図５は、本開示において製造する電力装置２０の一例を示すものであって、図５（ａ）はその電力装置２０の斜視図、図５（ｂ）は上面図、図５（ｃ）は下面図である。図５（ａ）に示すように、本開示の電力装置２０は、複数の電力ユニットの一端がそれぞれ支持台２２の両サイドに並列して固定され、他端が中央で自由端となる構造の電力生成部２１を備える。より具体的には、本開示の電力装置２０の電力生成部２１は、図５（ｂ）に示すように、カンチレバー部２１１や枠部２１２を備え、カンチレバー部２１１は、枠部２１２を構成する両サイドから中央に向けてそれぞれ突出した櫛歯状の電力ユニットが対向するような構造とすることができる。図５において、第１電極、圧電素子、第２電極の図示を省略している。図６は、本開示の電力装置２０の製造方法の各工程を表す図であって、図６（ａ）−（ｋ）は、図５（ａ）に示す点線Ａ−Ａ'で切り取った断面からみた電力装置２０の各製造工程を示す。なお、本開示の電力装置２０は、その平面の大きさを１０×１０ｍｍ2とし、高さ（厚さ）を１ｍｍとすることができる。
ここで、本開示の電力装置２０の製造方法について、図５および図６を参照しながら、詳細に説明する。図５は、本開示において製造する電力装置２０の一例を示すものであって、図５（ａ）はその電力装置２０の斜視図、図５（ｂ）は上面図、図５（ｃ）は下面図である。図５（ａ）に示すように、本開示の電力装置２０は、複数の電力ユニットの一端がそれぞれ支持台２２の両サイドに並列して固定され、他端が中央で自由端となる構造の電力生成部２１を備える。より具体的には、本開示の電力装置２０の電力生成部２１は、図５（ｂ）に示すように、カンチレバー部２１１や枠部２１２を備え、カンチレバー部２１１は、枠部２１２を構成する両サイドから中央に向けてそれぞれ突出した櫛歯状の電力ユニットが対向するような構造とすることができる。図５において、第１電極、圧電素子、第２電極の図示を省略している。図６は、本開示の電力装置２０の製造方法の各工程を表す図であって、図６（ａ）−（ｋ）は、図５（ａ）に示す点線Ａ−Ａ'で切り取った断面からみた電力装置２０の各製造工程を示す。なお、本開示の電力装置２０は、その平面の大きさを１０×１０ｍｍ2とし、高さ（厚さ）を１ｍｍとすることができる。
電力装置２０の製造方法は、大きく分けて、各電力ユニットを構成するカンチレバーの形状に合わせて半導体基板層を形成する工程と、第１電極層を形成する工程と、圧電素子層を形成する工程と、第２電極層を形成する工程と、カンチレバーの一端を固定する支持部の形状に合わせて半導体基板層を形成する工程とを含む。
まず、カンチレバーの形状に合わせて半導体基板層を形成する工程の前工程として、図６（ａ）に示すように、第１半導体基板層（Ｓｉウエハ）３０、第１酸化膜３１、第２半導体基板層３２（Ｓｉウエハ）が順に積層された基板を用意する。なお、本実施形態では、支持台を形成する半導体基板層を第１半導体基板層、およびカンチレバーを形成する半導体基板層を第２半導体基板層とする。第１半導体基板層３０、第１酸化膜３１、および第２半導体基板層３２の各厚さは、たとえば、３００μｍ、１μｍ、および３０μｍとすることができる。
次いで、第２半導体基板層３２をカンチレバーの形状に合わせて形成する工程を行う。この工程は、主に、第２半導体基板層３２をエッチングすることによって、カンチレバー２３の幅、長さをそれぞれ決定する工程である。
この工程は、まず、第２酸化膜３３および第３酸化膜３４の成膜処理を行う。すなわち、第１半導体基板層３０の下面、および第２半導体基板層３２の上面にそれぞれ第２酸化膜３３および第３酸化膜３４を熱酸化させることによって成膜する。この第２酸化膜３３および第３酸化膜３４は、第１半導体基板層３０および第２半導体基板層のエッチングしない部分をレジスト材料から保護する保護膜となる。図６（ｂ）は、第２酸化膜３３および第３酸化膜３４の成膜処理を行った後の状態を示す。第２酸化膜３３および第３酸化膜３４は、たとえば、それぞれ１μｍとすることができる。
次に、第３酸化膜３４上にレジスト塗布・ベーク処理を行う。レジスト塗布処理は、スピンナーを使用し、フォトレジストを薄く塗布する処理である。ベーク処理は、ホットプレートを使用し、レジストの溶剤を蒸発させて硬化させるため乾燥する処理である。塗布したレジストの膜厚は、たとえば、１μｍとすることができる。本実施形態におけるフォトレジストは、ポジ型のフォトレジスト（たとえば、ＯＦＰＲ−８００）を用いることとする。なお、これらのレジスト塗布・ベーク処理は、公知の処理方法と同様に行うことができるので、その詳細な説明は省略する。
次に、露光・現像処理を行う。露光処理は、たとえば、両面露光機を使用し、図５（ｂ）に例示するようなカンチレバー部２１１と枠部２１２とからなるパターンになるようにパターン化されたフォトマスクを通して露光する処理である。現像処理は、フォトマスクにより露光されなかった部分を残し、レジストを取り除く処理である。なお、これらの露光・現像処理は、公知の処理方法と同様に行うことができるので、その詳細な説明は省略する。
次に、第３酸化膜３４のエッチング処理を行う。この処理は、第３酸化膜３４においてレジスト膜のない部分を溶解・除去する処理である。第３酸化膜３４において、たとえば、ＣＨＦ３ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を約６０分行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。図６（ｃ）は、第３酸化膜３４のエッチング処理を行った後の状態を示す。
次に、第２半導体基板層３２のエッチング処理を行う。この処理は、第２半導体基板層３２においてレジスト膜のない部分を溶解・除去する処理である。第２半導体基板層３２において、たとえば、ＳＦ６ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を約４５分行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。図６（ｄ）は、第２半導体基板層３２のエッチング処理を行った後の状態を示す。上記処理を行うことで、図６（ｄ）に示すように、カンチレバーの形状に合わせて第２半導体基板層３２を形成することができる。
次に、レジスト剥離の処理を行う。この処理は、残存する第２半導体基板層３２上に存在するフォトレジストのみを除去し、純水で洗浄する処理である。レジスト剥離の処理は、公知の処理方法と同様に行うことができるので、その詳細な説明は省略する。図６（ｅ）は、レジスト剥離の処理を行った後の状態を示す。
次に、第３酸化膜３４を除去する処理を行う。たとえば、ＣＨＦ３ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を約６０分行うと、残存する第２半導体基板層３２上に存在する第３酸化膜３４を溶解・除去することができる。
次いで、第１電極層３５を形成する工程を行う。この工程は、主に、第１電極２５をカンチレバー２３上に形成する工程である。
たとえば、第１電極２５の材料Ｔｉ／Ｐｔを用いる場合、スパッター装置を使用し、メタルマスクを用いて第２半導体基板層３２上であって、少なくともカンチレバーをなす領域（櫛部）にＴｉ／Ｐｔを成膜する。図６（ｆ）は、Ｔｉ／Ｐｔを成膜した後の状態を示す。
次いで、圧電素子層３６を形成する工程を行う。この工程は、主に、圧電素子２４をカンチレバー２３に結合するように形成する工程である。
まず、圧電素子層３６とするＰＺＴを成膜する処理を行う。たとえば、スパッター装置を使用して、第１電極層３５および第２酸化膜３１上に成膜することができる。
次に、圧電素子層３６上にレジスト塗布・ベーク処理を行う。この各処理は、上記のレジスト塗布・ベーク処理と同様の装置・条件ですることができる。
次に、露光・現像処理を行う。露光処理は、たとえば、両面露光機を使用し、カンチレバー部２１１の形状、すなわち、図７に例示するような圧電素子２４のパターンになるようにパターン化されたフォトマスクを通して露光する処理である。現像処理は、フォトマスクにより露光されなかった部分を残し、レジストを取り除く処理である。
次に、圧電素子層３６のエッチング処理を行う。この処理は、圧電素子層３６においてレジスト膜のない部分を溶解・除去する処理である。圧電素子層３６において、たとえば、硝酸とフッ酸を用いたウェットエッチングを行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。
次に、レジスト剥離の処理を行う。レジスト剥離は、上記のレジスト剥離と同様に行うことができる。図６（ｇ）は、圧電素子層３６のエッチング処理、レジスト剥離の処理を行った後の状態を示す。
次いで、第２電極層３７を形成する工程を行う。この工程は、主に、第２電極２６をカンチレバー２３上に形成する工程である。
この工程は、まず、第２電極層３７とするＣｒ／Ａｕを成膜する処理を行う。たとえば、真空蒸着によって行うことができ、圧電素子層３６および第２半導体基板層３２上に成膜する。
次に、第２半導体基板層３２上にレジスト塗布・ベーク処理を行う。この各処理は、上記のレジスト塗布・ベーク処理と同様の装置・条件ですることができる。
次に、露光・現像処理を行う。露光処理は、たとえば、両面露光機を使用し、圧電素子層３６上であって、カンチレバー部２１１の形状のパターンになるようにパターン化されたフォトマスクを通して露光する処理である。なお、このパターンは、上記圧電素子層３６を露光する際のパターンとほぼ同様とすることができる。現像処理は、フォトマスクにより露光されなかった部分を残し、レジストを取り除く処理である。
さらに、第２電極層３７をエッチングする処理を行う。この処理は、第２電極層３７においてレジスト膜のない部分を溶解・除去する処理である。圧電素子層３６において、たとえば、硝酸とフッ酸を用いたウェットエッチング（Ｃｒ：硝酸セリウムアンモン、Ａｕ：ヨウ素ヨウ化カリウム）を行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。
次に、レジスト剥離の処理を行う。レジスト剥離は、上記のレジスト剥離と同様に行うことができる。図６（ｈ）は、第２電極層３７のエッチング処理、レジスト剥離の処理を行った後の状態を示す。
次いで、カンチレバーの一端を固定する支持部の形状に合わせて第１半導体基板層３０を形成する工程を行う。
まず、第１半導体基板層３０の裏面（下面）にレジスト塗布・ベーク処理を行う。この各処理は、上記のレジスト塗布・ベーク処理と同様の装置・条件ですることができる。
次に、露光・現像処理を行う。露光処理は、たとえば、両面露光機を使用し、カンチレバーの一端を固定する支持部の形状、すなわち、図５（ｃ）に例示するようなＸ軸方向の支持部２２の両端が残存するパターンになるようにパターン化されたフォトマスクを通して露光する処理である。現像処理は、フォトマスクにより露光されなかった部分を残し、レジストを取り除く処理である。
次に、第２酸化膜３３のエッチング処理を行う。この処理は、第２酸化膜３３においてレジスト膜のない部分を溶解・除去する処理である。第２酸化膜３３において、たとえば、ＣＨＦ３ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。図６（ｉ）は、第２酸化膜３３のエッチング処理を行った後の状態を示す。
次に、レジスト剥離する処理を行う。この処理は、残存する第１半導体基板層３０上に存在するフォトレジストを除去し、純水で洗浄する処理である。レジスト剥離の処理は、公知の処理方法と同様に行うことができるので、その詳細な説明は省略する。
次に、第１半導体基板層３０をエッチングする処理を行う。第１半導体基板層３０において、たとえば、３０％ＫＯＨ水溶液を用いてウェットエッチングを約１８０分行うと、レジスト膜のない部分を溶解・除去することができる。図６（ｊ）は、第１半導体基板層３０を異方性エッチングした後の状態を示す。なお、３０％ＫＯＨ水溶液を用いてウェットエッチングを行うと、図６（ｊ）に示すように、第１半導体基板層３０は、（１１１）結晶面に沿ったエッチング形状（たとえば、テーバー５４．７度を有する形状）になる。
次に、第１酸化膜３１を除去（剥離）する処理を行う。第１酸化膜３１において、たとえば、１０％ＨＦ水溶液を用いてウェットエッチングを行うと、第１半導体基板層３０に覆われていない部分の第１酸化膜３１は剥離される。図６（ｋ）は、第１酸化膜３１を剥離した後の状態を示す。
以上より、本開示の電力装置２０の製造方法を行うことができる。なお、上記製造方法では、必要に応じて、各工程に純水清浄および乾燥する工程を適宜導入させることができる。
また、本開示の電力装置２０の製造方法は、電力装置２０の形状によって、上記製造方法の各工程を省略・修正等でき、また矛盾しない範囲で各工程の順序を入れ替えることも可能である。さらに、上記製造方法によって製造される電力装置２０は、図５に例示する電力装置２０の形状に限られない。
以上のように本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。
たとえば、上記実施形態では、電力装置２０の適用する機器としてインシュリン注入器１を例示して説明したが、本開示は、インシュリン注入器１に限られず、不整脈を校正する心臓ペースメーカ、内視鏡カプセルなどその他体内埋め込み型の医療機器の電力源として活用することができる。その際、それぞれの医療機器の使用環境や必要電力に応じて電力装置２０の電力ユニットの数、共振周波数を適宜調整することができる。また、本開示の電力装置２０は、体内埋め込み型の医療機器に限られず、空間または媒質を伝播する波動を受信することにより電圧を発生することができる自己発電型の電力源として幅広く活用でき、特に、光が照射しない場所においては、太陽電池の代替品として自己発電ができる電力源として大きなメリットを備える。
また、上記実施形態では、電力生成部２１は、複数の電力ユニット（カンチレバー）２１Ａ−２１Ｅがそれぞれ並列して配置される場合を例示したが、本開示はこれに限られず、たとえば、図８に示すように、電力生成部２１'は、複数の電力ユニット（カンチレバー）２１'Ａ−２１'Ｌがそれぞれ支持台２２'上に同心円状に配置することもできる。なお、図８（ａ）は、支持台２２'上に複数の電力ユニット２１'Ａ−２１'Ｌが同心円状に配置された上面図であって、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す点線Ｂ−Ｂ'で切り取った断面図である。複数の電力ユニット（カンチレバー）２１Ａ−２１'Ｌを同心円状に配置することで、無指向性の特性を有し、空間または媒質を伝播する波動をあらゆる方向から受信することができ、共振しやすくなる。
さらに、上記実施形態では、共振体として、一端が固定され、他端が自由端であるカンチレバーを例示したが、両端が固定された両持ち梁の形状とすることもできる。
１ インシュリン注入器、
２ 波動発信装置、
１０ リザーバ、
１１ カテーテル、
１２ ポンプ、
１３ 制御部、
２０ 電力装置。
２ 波動発信装置、
１０ リザーバ、
１１ カテーテル、
１２ ポンプ、
１３ 制御部、
２０ 電力装置。
Claims (10)
- 少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、
前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、
前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、
を含む電力装置。 - 前記共振部は、複数の共振体を含む、請求項１に記載の電力装置。
- 前記複数の共振体は、共振周波数の異なる少なくとも２つの共振体を含む、請求項２に記載の電力装置。
- 前記複数の共振体は、それぞれ並列して配置される、請求項２に記載の電力装置。
- 前記複数の共振体は、同心円状に配置される、請求項２に記載の電力装置。
- 前記共振部は、一端が固定され、他端を自由端とするカンチレバーである、請求項１に記載の電力装置。
- 請求項１に記載の電力装置と、
前記電力装置の発生する電力が供給される負荷装置と、
を含むシステム。 - 請求項１に記載の電力装置と、
前記電力装置に含まれる共振部に向けて、特定の周波数成分を有する波動を発信する波動発信装置と、
を含むシステム。 - 少なくとも一端が固定された共振部が、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振し、
前記共振部に結合して形成された圧電素子が、前記共振部の共振に応じて電圧を発生し、
前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成された第１電極および第２電極が、前記発生した電圧を出力する、
電圧発生方法。 - 少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部と、前記共振部に結合して形成され、前記共振部の共振に応じて電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、前記発生した電圧を出力する第１電極および第２電極と、を含む電力装置の製造方法であって、
少なくとも一端が固定された共振部の形状に合わせて半導体基板層を形成することと、
前記半導体基板層上であって、少なくとも前記共振部をなす領域に第１電極層を形成することと、
前記第１電極層上であって、前記共振部をなす領域に圧電素子層を形成することと、
前記圧電素子層上であって、前記共振部をなす領域に第２電極層を形成することと、
前記共振部の一端を固定する支持部の形状に合わせて前記半導体基板層を形成することと、
を含む、電力装置の製造方法。
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